KULTUR SINAMBUNG DAN FED BATCH

Presentasi berjudul: "KULTUR SINAMBUNG DAN FED BATCH"— Transcript presentasi:

1 KULTUR SINAMBUNG DAN FED BATCH
PRINSIP TEKNIK FERMENTASI PROGRAM STUDI MIKROBIOLOGI SEKOLAH ILMU DAN TEKNOLOGI HAYATI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2 KULTUR SINAMBUNG Produksi kontinu dapat dicapai apabila terjadi penambahan medium (untuk memperpanjang fase eksponensial ~ kultur curah) dan pengeluaran kultur dalam fermenter dengan volume yang sama Jika medium ditambahkan ke dalam kultur secara kontinu pada laju yang sesuai, akan dicapai kondisi tunak  pembentukan biomasa seimbang dengan kehilangan sel dari fermenter

3 Continuous-culture laboratory set-up
pH controller Exit air Acid Reservoir Air Filter Air Filter Feed and effluent pump Samples Rotameter Compressed air Sterile Medium Reservoir Magnetic stirrer

4 Skema kultur sinambung

5 Kinetika kultur sinambung
Aliran penambahan medium berhubungan dengan volume bejana / fermenter Laju pengenceran: …………………..1) F = Laju aliran medium (dm3 h-1) V = Volume bejana (dm3) D = laju pengenceran (h-1) Perubahan konsentrasi sel pertumbuhan – output …………………..2) Pada keadaan tunak (steady state) : dx/dt = 0 ….………………3) Pada kondisi tunak, laju pertumbuhan spesifik dikontrol oleh laju pengenceran (variabel)

6 Kultur sinambung - Kemostat
Pertumbuhan sel pada kultur sinambung yang dikontrol oleh ketersediaan komponen kimia dalam medium  KEMOSTAT Mekanisme pengontrolan laju pengenceran  Monod Pada kondisi tunak  = D D = maxŝ / (Ks + ŝ) ŝ = Ks D / (max – D) …………………4) Persamaan 4: konsentrasi substrat sisa ditentukan oleh D  kondisi ini terjadi bila substrat berada pada konsentrasi yang mendukung pertumbuhan pada laju yang sama dengan laju pengenceran  kondisi tunak

7 Kultur sinambung - Kemostat
Bila substrat berada dibawah level yang mendukung laju pertumbuhan yang sesuai dengan D: Laju pertumbuhan sel akan kurang dari laju pengenceran  wash out  penurunan konsentrasi biomasa dalam fermenter Konsentrasi substrat di dalam fermenter meningkat karena sel yang tersisa sedikit  konsumsi sedikit Peningkatan konsentrasi substrat  sel tumbuh pada laju yang lebih tinggi dari laju pengenceran  konsentrasi biomasa meningkat Terbentuk kembali kondisi tunak Kemostat adalah sistem kultur “nutrien-limited self balancing” yang dapat dijaga tetap pada kondisi tunak pada kisaran laju pertumbuhan spesifik sub-maksimum yang lebar

8 Kultur sinambung - Kemostat
Konsentrasi sel dalam kemostat pada kondisi tunak: x = Y(SR – ŝ) ……………….. 5) x = konsentrasi sel pada kondisi tunak Persamaan 4) dan 5): x = Y [SR – { KsD / (max – D)}] ………………. 6) Konsentrasi biomasa pada kondisi tunak ditentukan oleh variabel operasional SR dan D. Jika SR meningkat  x meningkat tapi ŝ akan tetap sama Kalau D meningkat   akan meningkat ( = D)  ŝ (substrat sisa) pada kondisi tunak baru meningkat utk mendukung peningkatan   substrat yang dikonversi menjadi biomasa berkurang  nilai tunak lebih rendah

9 Kultur sinambung - Kemostat
Alternatif lain tipe kultur sinambung Turbidostat Konsentrasi sel dalam kultur dijaga konstan dengan mengontrol laju medium  turbiditas kultur dijaga dengan memonitor biomasa dengan sel fotoelektrik  sinyal dihubungkan dengan pompa medium Biostat Prinsip sama dengan turbidostat hanya yang dimonitor bukan biomasa, misal konsentrasi CO2, pH Kemostat lebih umum digunakan  tidak perlu sistem kontrol yang kompleks untuk menjaga kondisi tunak

10 KULTUR FED-BATCH Kultur fed batch: kultur batch (curah) yang diberi tambahan nutrisi secara kontinu atau bertahap tanpa pengambilan cairan kultur Kultur fed batch: mula-mula dilakukan secara curah  diberi tambahan nutrisi dengan salah satu strategi: Penambahan medium  peningkatan volume Penambahan larutan substrat pembatas dengan konsentrasi yang sama dengan medium awal  peningkatan volume Penambahan larutan konsentrat substrat pembatas pada laju yang lebih rendah dari (1) dan (2)  peningkatan volume Penambahan larutan substrat pembatas dg kons. sangat tinggi dg laju yang lebih rendah dari (1), (2), (3)  peningkatan volume tidak signifikan Strategi  tipe kultur fed-batch: Volume variabel: strategi (1) dan (2) Volume tetap: strategi (4) Intermediate: strategi (3)

11 Variable volume fed-batch culture
Kultur curah yang dibatasi salah satu substrat  biomasa pada waktu tertentu digambarkan dengan persamaan: xt = xo + Y(SR – s) ……………….. 7) xt = konsentrasi biomasa setelah t jam xo = konsentrasi inokulum Kons. biomasa akhir yang diproduksi ketika s = 0  xmax dan xo << xmax, maka: xmax  Y.SR ………………. 8) Jika saat x = xmax ditambah medium dengan D < max  semua substrat segera dikonsumsi: F.SR   (X/Y) …………….. 9) F = laju alir masukan medium X = biomasa total kultur X = x.V V = vol medium kultur pada vesel pada saat t

12 Variable volume fed-batch culture (lanjutan..)
Pers (9): Input substrat = konsumsi substrat oleh sel  ds/dt =0 Walau total biomasa (X) meningkat, kons. sel tetap  dx/dt=0 QUASI STEADY STATE Sejalan dengan waktu  peningkatan V dan penurunan D D= F (Vo + Ft) ………………. 10) Vo = Volume asal Perbedaan steady state (tunak) pada kemostat dengan quasi steady state pada kultur fed-batch: Pada steady state kemostat, D dan  konstan, sedangkan pada quasi steady state sistem fed-batch D dan  berubah selama waktu fermentasi

13 Fixed volume fed-batch culture
Pada kultur curah pertumbuhan dibatasi substrat pembatas. Jika substrat pembatas ditambahkan dalam bentuk medium konsentrat  volume tetap (hampir konstan) dx/dt = GY …………………11) G = laju penambahan substrat (g dm-3 h-1) Y = faktor hasil Karena dx/dt = x, maka: x = GY  = GY/x ………………...12) Bila GY/x tidak melebihi max  substrat pembatas akan langsung dikonsumsi  ds/dt  0 Tapi dx/dt tidak dapat dianggap 0 (spt pada variable volume) krn kons.biomasa, dan total biomasa dalam fermentor akan meningkat sejalan dengan waktu

14 Fixed volume fed-batch culture (lanjutan..)
Konsentrasi biomasa: xt = xå + G.Y.t ……………….13) xt = biomasa setelah fed-batch dioperasikan selama t jam Xå = konsentrasi biomasa pada saat onset kultur fed-batch Sejalan dengan peningkatan biomasa   akan turun berdasarkan pers 11)

15 Time profiles of fed-batch culture
A. Variable volume fed-batch culture B. Fixed volume fed-batch culture  x SN S(GLS) t  x SN S(GLS) t = laju pertumbuhan spesifik X = konsentrasi biomassa S(GLS)= substrat pembatas pertumbuhan SN = substrat lain selain S(GLS)

16 Skema kultur fed batch

17 Kultur fed batch